复合材料材料的界面理论.ppt

第3章材料的界面理论3.1概述3.2表面现象和表面张力3.3增强材料的表面性质与处理3.表面自由能
增强材料与基体能够粘接在一起的必要条件，
（1）是基体与增强材料能紧密接触，
（2）是它们之间能润湿，后者取决于它们的表面自由能，
即表面张力。
若一种液体能浸润一种固体(即在固体表面完全铺开)，则固体的表面张力要大于液体的表面张力。常用的极性基体材料的表面张力在35~45达因·厘米-1之间(如聚酯树脂的表面张力为35达因·厘米-1，双酚A型环氧树脂的表面张力为43达因·厘米-1)，若要求这些基体材料能润湿增强纤维，则要求增强纤维的表面张力大于45达因·厘米-1。
硼纤维、碳化硅纤维、碳纤维等都有明显的氧化表面，有利于形成具有高表面自由能(表面张力)的表面。若其表面被污染，一般会降低其表面能，影响极性基体对它的湿润。4.表面性质与表面结构的关系
增强材料的上述三种表面性质除了与材料表面层化学组成有关外，还同增强材料的表面结构有关。
关于玻璃的结构，有多种学说。主要是微晶结构学说和网络结构学说。按照网络结构学说的观点，硅酸盐玻璃是由一个三维空间的不规律的连续网络构成的。连续网络又由许多多面体（如四面体）构成。多面体的中心为电荷较多而半径较小的阳离子所包围。在玻璃内部这些阳离子与周围的阴离子间的相互作用力，是平衡的。3.3.2增强材料的表面处理
1.碳纤维的表面处理
表面处理的作用：使复合材料不仅具有良好的界面粘接力、层间剪切强度，而且其界面的抗水性、断裂韧性及尺寸稳定性均有明显的改进。此外，通过碳纤维表面改性处理，还可制得具有某种特殊功能的复合材料。
1）氧化法
（1）气相法(或干法):以空气、氧气、臭氧等氧化剂，采用等离子表面氧化或催化氧化法。
（2）液相法（或湿法）：有硝酸、次氯酸钠加硫酸、重铬酸钾加硫酸、高锰酸钾加硝酸钠加硫酸氧化剂及电解氧化法等。

2）涂层法
(1)有机聚合物涂层：树脂涂层、接枝涂层、电沉积与电聚合等。
(2)无机聚合物涂层：经有机聚合物涂层后碳化、碳氢化合物化学气相沉积、碳化硅或氧化铁涂层、生长晶须涂层等。
3）净化法与溶液还原法、真空解吸法、在惰性气体中热处理法、氯化铁等溶液还原法。
根据纤维和树脂的结构及复合材料性能的不同，使用上述处理方法各有优缺点。
2.玻璃纤维的表面处理
为了在玻璃纤维抽丝和纺织工序中达到集束、润滑和消除静电吸附等目的，抽丝时，在单丝上涂了一层纺织型浸润剂(石蜡乳剂)。
（1）浸润剂会影响复合材料性能（妨碍了纤维与基体材料的粘接），用前去除浸润剂，
（2）采用偶联剂对纤维表面进行处理。偶联剂的分子结构中，一般都带有两种性质不同的极性基团，一种基团与玻璃纤维结合，另一种基团能与基体树脂结合，从而使纤维和基体这两类性质差异很大的材料牢固地连接起来。1）表面偶联剂的偶联机理
(1)有机硅烷类偶联剂的反应机理
(ⅰ)有机硅烷水解，生成硅醇。

(ⅱ)玻璃纤维表面吸水，生成羟基。(ⅲ)硅醇与吸水的玻璃纤维表面反应，又分三步
第一步：硅酸与吸水的玻璃纤维表面生成氢键；第二步：低温干燥(水分蒸发)，硅醇进行醚化反应；

第三步：高温干燥(水分蒸发)，硅醇与吸水玻璃纤维间进行醚化反应；偶联剂处理后纤维的性能：
1有机硅烷偶联剂与玻璃纤维的表面结合起来了。
有机硅烷中的R基团将与基体树脂反应，改变了玻璃纤维表面原来的性质，使之具有憎水而亲基体树脂的性质。
2X基团：有机硅烷中的X基团不同，将影响到偶联剂水解和相互间聚合的速度，以及与玻璃纤维间的偶联效果。目前采用较多的是X基团为甲氧基或乙氧基的有机硅烷偶联剂。其水解速度比较缓慢，水解析出的甲醇和乙醇无腐蚀性，所生成的硅醇比较稳定．可在水介质条件下同玻璃纤维表面进行反应。
3有机硅烷所带的另一个基团R，将与基体树脂反应，不同的R基团，适用于不同类型的树脂。(2)有机络合物类偶联剂的偶联机理
另一大类偶联剂是有机络合物。它们是有机酸与氯化铬的络合物。该类偶联剂在无水条件下结构式为：

应用较多的是甲基丙烯酸氯化鉻盐；即“沃兰”(Vo1an)，其结构式为：沃兰对玻璃纤维表面的处理机理如下：
(ⅰ)沃兰水解(ⅱ)玻璃纤维表面吸水，生成羟基。
(ⅲ)沃兰与吸水的玻璃纤维表面反应可分两步：
第一步：沃兰之间及沃兰与玻璃纤维表面间形成氢键：第二步：干燥（脱水)，沃兰之间及沃兰与玻璃纤维表面间缩合——醚化反应；

沃兰的R基团(CH3-C=CH2)及Cr—OH(Cr—Cl)将与基体树脂反应。2）表面偶联剂的处理效果
改进了纤维及其复合材料耐水、电绝缘及老化等性能，显著地提高了玻璃纤维湿态性能。
玻璃纤维复合材料的各项性能均有改进，表明偶联剂既保护了玻璃纤维的表面，又增强了纤维与树脂界面的粘结，防止了水分和其它有害介质的浸蚀。3）常用